C++的虚函数多态是面向对象编程的核心特性之一，允许父类指针或引用在运行时根据指向的实际对象类型，调用对应子类的重写函数，而这一特性的底层实现完全依赖虚函数表和虚指针的配合。
虚函数多态的基本表现
我们先通过一个简单的代码示例看虚函数多态的效果，首先定义基类和派生类：
#include <iostream>
using namespace std;
// 基类
class Base {
public:
// 声明为虚函数
virtual void show() {
cout << "Base show" << endl;
}
// 非虚函数
void normalShow() {
cout << "Base normalShow" << endl;
}
};
// 派生类，重写基类的show函数
class Derived : public Base {
public:
void show() override {
cout << "Derived show" << endl;
}
void normalShow() {
cout << "Derived normalShow" << endl;
}
};
int main() {
Base* basePtr1 = new Base();
Base* basePtr2 = new Derived();
// 调用虚函数，运行时根据对象类型绑定
basePtr1->show(); // 输出 Base show
basePtr2->show(); // 输出 Derived show
// 调用非虚函数，编译期静态绑定
basePtr1->normalShow(); // 输出 Base normalShow
basePtr2->normalShow(); // 输出 Base normalShow
delete basePtr1;
delete basePtr2;
return 0;
}
从结果可以看到，basePtr2虽然声明为Base*类型，但指向Derived对象时调用show会执行派生类的版本，这就是虚函数多态的效果，而非虚函数则只会按照指针的静态类型调用对应版本。
虚函数表的底层结构
每个包含虚函数或者继承自包含虚函数的类的对象，都会隐式包含一个指向虚函数表的指针，通常称为vptr，而虚函数表（通常称为vtable）是类级别的静态数据结构，由编译器在编译阶段为该类生成，所有该类的实例对象共享同一张虚函数表。
虚函数表的存储内容
虚函数表中存储的是该类所有虚函数的地址，顺序是先存放父类的虚函数（如果子类没有重写），再存放子类新增或重写的虚函数。如果子类重写了父类的虚函数，那么虚函数表中对应位置会被替换为子类重写后的函数地址。
我们修改上面的代码，增加一个虚函数，再查看对象的内存布局：
#include <iostream>
using namespace std;
class Base {
public:
virtual void func1() {
cout << "Base func1" << endl;
}
virtual void func2() {
cout << "Base func2" << endl;
}
};
class Derived : public Base {
public:
// 重写func1
void func1() override {
cout << "Derived func1" << endl;
}
// 子类新增虚函数
virtual void func3() {
cout << "Derived func3" << endl;
}
};
int main() {
// 查看对象大小，64位系统下指针占8字节，Base对象大小为8，Derived对象大小也为8
cout << "Base size: " << sizeof(Base) << endl;
cout << "Derived size: " << sizeof(Derived) << endl;
return 0;
}
运行后可以看到Base和Derived的对象大小都是8字节（64位系统），这就是vptr的大小，说明对象本身只存储了虚指针，虚函数表是独立于对象的类级数据。
虚函数表的内存布局演示
对于上面的Base类，其虚函数表大致结构如下：
| 虚函数表索引 | 存储内容 |
|---|---|
| 0 | Base::func1的地址 |
| 1 | Base::func2的地址 |
而Derived类的虚函数表结构为：
| 虚函数表索引 | 存储内容 |
|---|---|
| 0 | Derived::func1的地址（重写后替换） |
| 1 | Base::func2的地址（未重写，保留父类版本） |
| 2 | Derived::func3的地址（子类新增虚函数） |
多态调用的完整流程
当通过父类指针或引用调用虚函数时，底层会经过以下步骤完成动态绑定：
- 第一步：通过对象的
vptr找到对应的虚函数表地址 - 第二步：根据函数在虚函数表中的固定索引，找到对应的函数地址
- 第三步：跳转到该函数地址执行对应的函数逻辑
我们可以通过手动模拟虚函数调用的方式验证这个流程，代码如下：
#include <iostream>
using namespace std;
class Base {
public:
virtual void func() {
cout << "Base func" << endl;
}
};
class Derived : public Base {
public:
void func() override {
cout << "Derived func" << endl;
}
};
// 定义函数指针类型，匹配虚函数的调用约定
typedef void (*FuncPtr)();
int main() {
Base* obj = new Derived();
// 1. 获取对象的vptr，vptr通常在对象内存的最开始位置
// 先将对象指针转换为long long*，取第一个元素就是vptr的值
long long* vptr = (long long*)*(long long*)obj;
// 2. 获取虚函数表中第一个函数（也就是func）的地址
long long funcAddr = vptr[0];
FuncPtr func = (FuncPtr)funcAddr;
// 3. 调用该函数，会执行Derived::func
func(); // 输出 Derived func
delete obj;
return 0;
}
这个模拟过程清晰展示了多态调用的底层逻辑，和编译器实际生成的多态调用代码逻辑是一致的。
继承场景下的虚函数表变化
单继承无重写
如果子类没有重写父类的任何虚函数，只是新增了虚函数，那么子类的虚函数表会先完整拷贝父类的虚函数表内容，再在末尾追加子类新增的虚函数地址。
多继承场景
如果子类继承了多个包含虚函数的父类，那么子类对象会包含多个vptr，分别对应每个父类的虚函数表。如果子类重写了某个父类的虚函数，那么对应父类的虚函数表中该函数的位置会被替换为子类的函数地址。
虚析构函数的作用
如果父类的析构函数不是虚函数，那么通过父类指针删除子类对象时，只会调用父类的析构函数，子类的析构函数不会被调用，可能导致内存泄漏。将父类析构函数声明为虚函数后，删除父类指针指向的子类对象时，会通过虚函数表调用子类的析构函数，再自动调用父类的析构函数，保证资源正确释放。
#include <iostream>
using namespace std;
class Base {
public:
// 虚析构函数
virtual ~Base() {
cout << "Base destructor" << endl;
}
};
class Derived : public Base {
public:
~Derived() override {
cout << "Derived destructor" << endl;
}
};
int main() {
Base* obj = new Derived();
delete obj; // 会先调用Derived析构，再调用Base析构
return 0;
}
面试常考注意点
- 虚函数表的生成时机是编译阶段，属于类级别的静态数据，所有同类对象共享
- 对象只存储
vptr，vptr的初始化在构造函数执行期间完成，所以构造函数中调用虚函数不会触发多态，只会调用当前类的版本 - 静态函数、普通成员函数（非虚）、内联函数都不能是虚函数，虚函数必须是成员函数且不能是静态的
- 如果子类重写了父类的虚函数，函数的返回值、参数列表、函数名必须和父类完全一致（协变返回类型除外）